摘 要 ：本文較詳細地分析了自來水廠應用高、低壓變頻器的幾個問題，包括概況介紹、選用國產(chǎn)佳凌變頻器原因。高壓變頻器特點、主電路介紹、高速功率器件的串聯(lián)技術、正弦波技術、抗共模電壓技術、變頻器選型、各種高壓變頻器性能比較、基本規(guī)格和主要參數(shù)等內(nèi)容。 1 引言 啟東自來水廠是啟東市唯一的一家水廠, 擔負全市近30萬人民的生活用水及生產(chǎn)用水, 責任十分重大, 因此供水系統(tǒng)的質量、高效、節(jié)能是該廠十分關注的一件大事。該廠領導及業(yè)務主管早有采用當今先進科技成果，使用變頻調(diào)速的打算和安排，分別對一次進水泵及二次清水泵實現(xiàn)變頻調(diào)速的意向。經(jīng)近年的了解、訪問、調(diào)研，最后決定選用成都佳靈變頻器。從技術交流、方案選定、草簽合同、設備制造、安裝調(diào)試、試運行等過程，歷經(jīng)半年, 直至2005年元月中旬, 已驗收合格，正式投入運行，交付廠方使用。經(jīng)啟東市電力測試所的檢測結果，節(jié)電率在20～30％之間, 合乎對方的要求。故一次性通過驗收，是啟東市政工程一項較大的節(jié)能項目, 帶來顯著的經(jīng)濟效益和一定的社會效益，尤其在目前電力緊張狀況下, 是實現(xiàn)“開源節(jié)流”的“根本技術措施”。 2 系統(tǒng)介紹 2.1 二次清水泵 二次清水泵即可供應合格的自來水，經(jīng)水泵加壓后，直接送管內(nèi)供給用戶。該廠有3臺壓10kV，其中2臺400kW，一臺280kW。平常開400kW一臺，晚上開280kW一臺。在夏天高峰流量時要開400kW一臺，再加280kW一臺，供水壓力約3.2kg，過去是采用人工方式調(diào)節(jié)出口閥門來調(diào)節(jié)流量（或壓力），顯然這是不經(jīng)濟的運行方式，亦不及時。而采用變頻調(diào)速后，能自動調(diào)速，既能做到壓力穩(wěn)定，節(jié)能降耗，又能實現(xiàn)自動閉環(huán)PID調(diào)節(jié)。 設備組成及要求: （1） 電動機 Y500-8，400kW，744r/min，10kV，31.1A，cosφ為0.85; 水泵 揚程39m，2700m3/h，730r/min; （2） 電動機 Y500-8，280kW，744r/min，10kV，21.5A，cosφ為0.85; 水泵 揚程35m，2146m3/h，730r/min; （3） 具有工頻—變頻自動切換功能。 2.2 一次抽水泵 一次抽水泵即將河中的水，經(jīng)泵打入蓄水池，并經(jīng)處理合格后將水送出。一般水廠布局是一次抽水泵與二次清水泵相距不遠，但啟東自來水廠較特別，二者相距約3km，這樣又如何按出水量需要，來自動控制抽水量，做到經(jīng)濟合理的運行，不使過大的進水量形成蓄水池的溢出，而浪費電能。過去是靠人工調(diào)節(jié)閥門控制，以電話聯(lián)系方式進行操作，采用變頻器后可實現(xiàn)自動控制調(diào)速的方式，能實現(xiàn)節(jié)電功效，同時具有及時、有效、省力的好處。但因遠距離通訊信號傳輸既有一定技術難度，又需要初投資關系，所以分兩步走，先解決變頻調(diào)速，以電話聯(lián)系方式操作，以后再改為遙控方式。目前已預留4～20mA接口供變頻器使用。 設備的組成及要求: （1） 185kW抽水泵1臺, 電動機380V, 337A, 980r/min; 抽水泵: 揚程22m，2020m3/h，夜間低谷流量1300m3/h; 閥門開度約48%，出口壓力0.26MPa，白天高峰1900 m3/h; 閥門開度98％，出口壓力0.18MPa。 根據(jù)以上分析，夜間流量較小，節(jié)電潛力大，白天相對小，經(jīng)實測結果平均節(jié)電率約10％，全年運行，選用目的以調(diào)速為主。 （2） 280kW抽水泵1臺，只有在夏季高峰時使用，時間僅用10天左右，同時亦作185kW的備用泵。 根據(jù)上述工況要求，給予配置280kW 380V變頻器一套，其輸出可以切換，即“一拖二”方式，既節(jié)省投資，又方便使用。 （3） 具有工頻—變頻自動切換功能。 3 選用國產(chǎn)佳靈變頻器原因 眾所周知，目前國內(nèi)低壓變頻器在市場上流通的品牌，國外約40種之多，國內(nèi)約60種之多，可說是琳瑯滿目，目不暇接，難以抉擇。而佳靈牌變頻器是國內(nèi)首家，從1986年就開始生產(chǎn)，至今近20年歷史了，在國內(nèi)有一定聲望和市場占有率，具有性價比較高和售后服務周到的優(yōu)勢，故深受用戶青睞和歡迎。所以啟東自來水廠以慧眼識貨的遠見和膽略，具有前瞻性的眼光和賞識，采用了佳靈變頻器。至于高壓變頻器，國外的太貴，國內(nèi)的都是采用國外的拓撲結構，唯獨成都佳靈牌高壓變頻器是國內(nèi)獨創(chuàng)，國外無先例，獨辟創(chuàng)新的先進電路，具有電路最簡單、價格最低、體積最小、重量最輕、調(diào)試最容易、效率高、經(jīng)濟實用的特點，深受用戶的歡迎。它于2000年投產(chǎn)以來，已有幾十家單位在運行，都取得良好的功效。故首選成都佳凌牌高壓變頻器。 4 高壓變頻器特性介紹 4.1 GY-JCS-10kV/400kW高壓變頻器特點 目前，在世界上交流電動機的傳動領域，低壓變頻調(diào)速技術的運用已經(jīng)比較成熟，但高壓變頻調(diào)速技術由于組成變頻器的功率器件耐壓能力所限，也就造成了現(xiàn)在的高壓變頻器不像低壓變頻器那樣具有成熟的、一致性的拓撲結構。 而現(xiàn)今國內(nèi)的高壓大功率的交流傳動電動機已經(jīng)成為各大企業(yè)的重要生產(chǎn)設備，也是主要的耗電設備。應用高壓變頻調(diào)速也就成為各大企業(yè)勢在必行的重要措施。 組成高壓變頻器的功率器件的耐壓能力在相當長的時間內(nèi)還不可能滿足高壓變頻調(diào)速的需要。這就導致高壓變頻調(diào)速發(fā)展緩慢，遠遠不如低壓變頻那樣成熟和完善。因此，如何解決高壓變頻器中的功率器件耐壓能力問題，就成了世界性的難題。 成都佳靈電氣制造有限公司設計生產(chǎn)的GY系列高壓變頻器是采用該公司變頻器的成熟技術，貫以最新的控制理論成功設計制造出來的，世界上獨一無二的一種無輸入輸出變壓器，IGBT直接串聯(lián)逆變的高壓變頻調(diào)速裝置。其特點如下: （1） 電壓等級為3kV～10kV; （2） 功率器件選用西門子公司九十年代末推出的高壓IGBT功率模塊直接串聯(lián); （3） 系統(tǒng)自帶專門設計的高壓開關柜，與本身高壓變頻器高效安全配套，并含電子式真空斷路器; （4） 高檔的GY系列中含有全中文操作界面，基于Windows操作平臺，彩色液晶觸摸屏，便于就地監(jiān)控、設定參數(shù)、選擇功能和調(diào)試; （5） 變/工頻切換裝置可按用戶選用配備; （6） 高壓主電路與低壓控制電路采用光纖傳輸、安全隔離，系統(tǒng)抗干擾能力強; （7） 控制電路通訊方式采用全數(shù)字化通訊, 簡單、可靠; （8） 系統(tǒng)的整流單元、逆變單元的設計, 選用組合模塊化積木結構, 整機占地面積小、重量輕，便于安裝、維護; （9） 高檔的系統(tǒng)控制采用專用的工業(yè)控制計算機，結合PLC可編程控制技術，使電動機在變頻運行時變流量調(diào)節(jié)更平滑、穩(wěn)定，實時過程控制自動化程度高; （10） 裝置可在本機上操作，也可實現(xiàn)遠距離外控，具備完善、方便的操作功能選擇; （11） 系統(tǒng)具有標準的計算機通訊接口RS-232或RS-422、RS-485，可方便地與用戶DCS系統(tǒng)或工控系統(tǒng)組態(tài)建立整個系統(tǒng)的工作站，進一步提高系統(tǒng)的自動化控制水平，實現(xiàn)整個工控系統(tǒng)的全閉環(huán)監(jiān)控，從而實現(xiàn)更加完善、可靠的自動化運行; （12） 具備全面的故障監(jiān)測、可靠的故障報警保護功能; （13） 輸入功率因數(shù)高，輸出電壓諧波含量小，無需功率因數(shù)補償和諧波抑制器; （14） 輸出電壓為標準正弦波形，對電纜和電動機的絕緣無損害，減輕電動機的軸承和葉片等機械部分震動和磨損，延長電動機的使用壽命，變頻器輸出至電動機的線纜長度可達20km; （15） 采用獨特的抗共模電壓技術, 使系統(tǒng)中共模電壓≤1000V, 無需再提高電動機的絕緣等級, 也無需專用電機; （16） 易于實現(xiàn)能量回饋和四象限運行，并可直接引出直流進行直流輸電; （17） 適用于石油、化工、給排水、電力、冶金、建材、軍事、礦山等行業(yè)的高壓電動機變頻調(diào)速節(jié)能運行; （18） 對用戶的高壓異步電動機無任何特殊要求。不但適用于新舊異步電動機，也適用于同步電動機。 4.2 主電路簡介 由圖1可見，系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進入變頻器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再經(jīng)逆變器變頻變壓，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。 IGBT功率器件直接串聯(lián)的二電平電壓型高壓變頻器是采用低壓變頻器已有的成熟技術，應用獨特而簡單的控制技術成功設計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、效率達98％的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。 4.3 關鍵的核心技術 （1） 高速功率器件的串聯(lián)技術 根據(jù)查新，世界各國均未生產(chǎn)出IGBT直接串聯(lián)的高壓變頻器。佳靈公司運用數(shù)十年積累的功底，和為中華民族爭光的決心、勇氣，認為在重大裝備的原創(chuàng)技術上一定要有中國人自己的成果。永遠跟在別人后面學，是不可能成為世界大國的。佳靈人用自己的心血和智慧，利用絕對、相對原理，終于解決了高速功率器件的串聯(lián)問題。這不僅用于高壓電機變頻調(diào)速，而且可用于柔性輸電系統(tǒng)、城市無功補償、有源濾波、城市電網(wǎng)穩(wěn)壓、直流輸電等領域。 （2） 正弦波技術 高壓電機對變頻器的輸出電壓波形有嚴格的要求，佳靈公司為解決變頻器輸出電壓波形，從兩方面著手: 一是優(yōu)化PWM波形; 二是研制出特種濾波器。輸出波形如圖2和圖3所示。 （3） 抗共模電壓技術 僅解決IGBT的串聯(lián)，并不能甩掉輸入變壓器。原因在于共模電壓的存在。在低壓變頻器領域，近年來發(fā)現(xiàn)的電機軸承損壞，共模電壓就是影響的原因之一，在高壓變頻器的領域中，共模電壓更是必須解決的關鍵問題之一。 共模電壓（也叫零序電壓），是指電動機定子繞組的中心點和地之間的電壓。以典型的電流源型變頻器（不帶輸入變壓器）為例，如圖4所示。 由于上下直流母線的濾波電抗器大小相同，而且流過相同的電流，所以每個電抗器上的壓降也相同，因此以接地點G為參考電平，各點電壓符合以下關系:所以有:兩邊都除以2，可得 由于整流電路在同一時刻只有兩相同時導通，導致整流電路輸出的直流中點電壓不等于供電電源的中心點電壓，即UmG=0。圖5是在晶閘管觸發(fā)延遲角為20°時的各點電壓波形。中點電壓UmG按照電網(wǎng)電壓三倍的頻率進行變化，在晶閘管觸發(fā)延遲角為90°時幅值達到最大。 電流源型變頻器逆變器的工作原理與整流器大致相同，因此逆變器輸入直流中點對電動機中心點的電壓EmN波形與UmG波形大致相同, 只是EmN的變化頻率為變頻器輸出頻率的三倍, 會隨著變頻器輸出頻率的變化而變化。由于所以，共模電壓。由于輸出頻率一般不等于電網(wǎng)頻率，且不斷變化，因此其組合可以導致共模電壓在某一時刻達到最大值。由于UmG和EmN的最大值都可以達到額定相電壓峰值的50％，所以共模電壓最大可接近相電壓的峰值，如果電源的中心點接地，電動機的機殼也接地，這樣共模電壓就施加到電動機定子繞組的中心點和機殼之間。這樣高的共模電壓使電動機繞組承受的絕緣應力為電網(wǎng)直接運行情況下的2倍，嚴重影響電動機絕緣。圖6顯示了一輸出電壓為4160V的GTO電流源型變頻器的共模電壓波形。 當沒有輸入變壓器時，共模電壓會直接施加到電動機上，增加繞組對地的電應力，引起絕緣擊穿，影響電動機的使用壽命。如果設置輸入變壓器（變壓器二次側中點不能接地），則共模電壓由輸入變壓器和電動機共同來承擔，按照輸入變壓器一次、二次繞組間的分布電容和電動機繞組對機殼間的分布電容（兩個容抗串聯(lián)）進行分配。由于一般輸入變壓器的分布電容大大小于電動機繞組對機殼的分布電容（比如前者為后者的1/10），這樣約90％的共模電壓由輸入變壓器來承擔，只要考慮加強輸入變壓器的絕緣，以承受共模電壓即可。比如4160V額定電壓的電動機要求采用10kV的絕緣設計，不能使用標準的異步電動機。要求6kV電動機可以承受的共模電壓范圍為基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和不超過8.7kV。 PWM變頻器的共模電壓含有與開關頻率相對應的高頻分量，高頻的電壓分量會通過輸出電纜和電動機的分布電容產(chǎn)生對地高頻漏電流，影響逆變器功率電路的安全。電動機通過地產(chǎn)生的高頻漏電流，一部分通過定子繞組經(jīng)定子繞組和轉子間的分布電容，經(jīng)過軸承再到機殼，然后到地。后者即為軸電流，會引起電動機軸承的“電蝕”，影響軸承的壽命。 由于共模電壓含有高頻高壓成份，在電機線圈與鐵芯之間形成交變電場，而其中的絕緣材料被極化，產(chǎn)生電暈放電，并產(chǎn)生出臭氧，而臭氧是強氧化劑，也是腐蝕劑。加速電機絕緣的擊穿。這也就是為什么有的變頻器只能采用專用電動機。是因為共模電壓未處理好，只能以強化電機絕緣性能來解決。 共模電壓也是對外產(chǎn)生干擾的原因，特別是長線傳輸設備。許多用戶的設備應用變頻器后出現(xiàn)了嚴重干擾，總是找不到原因，可考慮共模電壓的問題。無論是電流源還是電壓源變頻器產(chǎn)生共模電壓是必然的。佳靈公司根據(jù)共模電壓產(chǎn)生的機理，采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內(nèi)部。 由于采用了上述三項核心關鍵技術，使“佳靈”IGBT直接高壓變頻器的效率達到98％以上。輸出電壓正弦化。共模電壓最小化。適用于任何異步電機。同步電機，無需降容使用，幾km的長線傳輸也無問題。（只是傳輸距離太長時應考慮線路電壓補償。如提高電壓或增大導線截面等）。 5 GY系列高壓變頻器類型 GY-JCS型:為風機、水泵類負載，完全工作在平方減轉矩特性條件下，可直接轉矩控制，適用于變流量和恒壓力節(jié)能調(diào)速; GY-JCP型:一般機械傳動調(diào)速，具有加、減速度，正、反轉變化等控制，能耗制動功能等要求，也適合風機、水泵類; GY-JCC型:要求較高的機械傳動控制，應具有低速或零速大轉矩，準確的移動定位的工況，如起重、軋機、電力機車等重型機械，常常都需用“S”形加、減速曲線特性，保證死區(qū)補償?shù)退俅筠D矩，矢量或直接轉矩的準確控制。 6 各種高壓變頻器性能比較 各種高壓變頻器性能比較如附表所示。 7 結束語 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器擁有安全的自主知識產(chǎn)權，具有許多獨特的特點，其應用范圍十分廣闊，它必將在國民經(jīng)濟中發(fā)揮重要作用。